基于DSP的太阳能驱动桁架式喷灌机全数字控制动力系统设计

【摘要】：针对我国农业灌溉中存在的能源供给困难、水资源浪费严重、时针式喷灌机漏喷严重及绞盘式喷灌机作业不便等诸多局限性,为充分发挥平移桁架式喷灌机操作灵活和适用性强的优势,有效利用太阳能资源,实现农业节能减排和农业精准化灌溉。通过将太阳能光伏发电技术与先进的节水灌溉技术相结合,借助现在的传感检测技术、无线传输技术、GPS导航技术及可视化触控技术等,集光、机、电及太阳能高效利用技术为一体,基于DSP和ARM两款微处理器,设计出一套满足桁架式喷灌机高性能运行要求的全数字控制动力系统。具体设计工作包括以下几方面:(1)在对光伏电池输出特性及外界影响规律进行PSIM及Simulink建模仿真研究之上,对相关的MPPT技术进行设计实现,以最大限度的提高光伏转换效率。(2)借助专业的PVsyst光伏设计软件对机组的光伏容量配置及经济性进行设计分析,并开展了太阳能充放电管理系统和供电方式优化切换系统的设计工作。(3)根据水泵永磁同步电机数学模型、空间矢量SVPWM技术的基本原理和控制算法等,基于DSP2812数字信号处理器,以永磁同步电机转速调节为控制对象,完成了相应控制板、功率板及显示板硬件电路的设计。在CCS开发环境下,对永磁同步电机矢量控制方案及修正步长的扰动观测MPPT跟踪进行软件开发。同时,完成喷灌机组驱动直流电机的转速-电流双闭环受限单级式可逆脉宽调速系统软硬件设计。基于上述调速控制系统研究,通过MATLAB/Simulink对系统配套电机的动态性能进行了验证。(4)针对桁架绞盘式喷灌机和渠喂式喷灌机的工作特点,对其恒水位自控系统、交直流取水加压系统、GPS电气联合导航自走系统及一键智能触控系统等进行了设计以及样机的搭建和性能测试。最后,通过对系统可靠性和机组的实用性进行为期半年的不定期大田灌溉测试验证,结果表明:系统工作性能可靠,不仅能满足机组运行的高精度智能控制,实现农业精准化灌溉,而且有效地促进了环保型光伏农业的发展;机组节能特点明显,灌溉质量高,整体性能满足设计和生产需求,推广应用前景广阔。通过本文的研究,初步建立起一整套有关太阳能驱动自走式桁架喷灌机组的基础设计应用理论体系,有助于实现太阳能驱动喷灌机的长远发展。 【关键词】：桁架式喷灌机 DSP MPPT技术 永磁同步电动机 GPS联合导航
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S277.94
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-20
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 研究的目的、意义12-14
• 1.3 国内外太阳能灌溉提水技术及电机调速系统研究现状14-18
• 1.3.1 国内外太阳能提水灌溉技术研究现状14-16
• 1.3.2 国内外电机调速控制系统研究现状16-18
• 1.4 研究设计内容、方法及技术路线18-20
• 1.4.1 设计内容18-19
• 1.4.2 设计方法及技术路线19-20
• 第二章 桁架式喷灌机光伏组件特性研究及MPPT技术应用20-36
• 2.1 光伏电池单元特性研究20-26
• 2.1.1 光伏电池单元等效数学模型20-21
• 2.1.2 光伏电池单元等效电路串并联电阻估算21-22
• 2.1.3 光伏电池单元PV模型仿真外特性研究22-26
• 2.2 基于光伏电池板固定安装的MPPT控制26-32
• 2.2.1 常见直接MPPT控制法简述26-31
• 2.2.2 基于修正步长P&O法的系统仿真31-32
• 2.3 基于太阳光机械跟踪的MPPT控制32-35
• 2.3.1 太阳光机械跟踪控制的电气实现32-33
• 2.3.2 太阳光机械跟踪的PLC实现33-35
• 2.4 本章小结35-36
• 第三章 桁架式喷灌机光伏容量及优化运行设计36-47
• 3.1 太阳能光伏发电系统的构成及分类37-38
• 3.1.1 太阳能光伏发电系统的构成37
• 3.1.2 太阳能光伏发电系统的分类37-38
• 3.2 光伏容量设计38-41
• 3.2.1 基本资料38-39
• 3.2.2 光伏组件功率确定39-40
• 3.2.3 蓄电池容量确定40-41
• 3.3 优化运行系统设计41-43
• 3.3.1 太阳能充放电管理系统设计41-42
• 3.3.2 供电方式优化切换系统设计42-43
• 3.4 基于PVSYST的系统经济分析43-46
• 3.4.1 系统能量关系44-45
• 3.4.2 能量损失分布45-46
• 3.4.3 财政平衡分析46
• 3.5 本章小结46-47
• 第四章 桁架式喷灌交直流调速系统软硬件设计47-74
• 4.1 水泵永磁同步电机调速系统设计47-68
• 4.1.1 永磁同步电动机模型47-48
• 4.1.2 矢量坐标变换理论48-49
• 4.1.3 空间电压矢量调制SVPWM技术49-53
• 4.1.4 基于光电编码器测速方法的分析53-55
• 4.1.5 PMSM调速控制系统总体方案设计55-57
• 4.1.6 PMSM调速控制系统的硬件电路设计57-64
• 4.1.7 PMSM调速控制系统的软件设计64-68
• 4.2 桁架驱动直流电机调速系统设计68-73
• 4.2.1 PID控制器的微积分分析68-69
• 4.2.2 直流电机调速系统总体方案设计69-71
• 4.2.3 直流电机调速系统硬件电路设计71-72
• 4.2.4 直流电机调速系统硬件软件设计72-73
• 4.3 本章小结73-74
• 第五章 桁架式喷灌机组交直流调速系统SIMUlink仿真74-79
• 5.1 矢量坐标变换仿真74-75
• 5.2 直流电机调速系统仿真75-77
• 5.3 PMSM电机调速系统仿真77-78
• 5.4 本章小结78-79
• 第六章 桁架式喷灌机组水泵加压及自走导航系统设计79-104
• 6.1 水源恒水位自动控制设计79-80
• 6.2 桁架卷盘式喷灌机交流水泵加压系统设计80-82
• 6.2.1 水泵的选型80-81
• 6.2.2 逆变器的选型81
• 6.2.3 变频器选型81
• 6.2.4 变频恒压自动控制81-82
• 6.3 桁架卷盘式喷灌机自走导航系统设计82-87
• 6.4 桁架渠喂式喷灌机直流水泵加压系统设计87-94
• 6.4.1 系统概况及组成87-89
• 6.4.2 调压方式选择与设备选型89-91
• 6.4.3 系统控制运行说明91-92
• 6.4.4 系统设计结论92-93
• 6.4.5 自动控制运行系统设计93-94
• 6.5 桁架渠喂式喷灌机自走导航系统设计94-103
• 6.5.1 GPS电气联合导航系统设计94-98
• 6.5.2 自动往返/启停控制系统设计98-101
• 6.5.3 一键智能控制系统设计101-103
• 6.6 本章小结103-104
• 第七章 系统测试及展望104-107
• 7.1 系统性能测试104-106
• 7.2 后续研究展望106-107
• 参考文献107-111
• 致谢111-112
• 作者简介112

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